Воздушный старт

Идея

Идея "воздушного старта", была очень популярна в конце 90-х годов. Тогда многие крупные космические фирмы разрабатывали такие проекты.

В основе этой схемы лежит использование в качестве разгонной ступени тяжелого самолета-носителя. На самолет устанавливается ракетная ступень, которая может представлять собой челночный космоплан типа "Шаттл" или обычную ракету, стартующую либо с внешней подвески или десантируемую в контейнере на парашютах и запускаемую из контейнера. На первый взгляд такая система обладает большим количеством плюсов и должна быть эффективной и экономически выгодной.

Возможные достоинства

1) Старт ракеты с любой широты. Построить взлетную полосу или доработать уже имеющуюся гораздо проще и дешевле, чем строить пусковую площадку для ракеты. И тратить топливо на изменение наклонения орбиты уже не нужно.

2) Ракета стартует уже с какой-то высоты. Следовательно, самый трудный участок (в плотных нижних слоях атмосферы) будет короче.

3) Ракета уже на старте имеет скорость.

4) Многоразовость системы. Частичная, если используются одноразовые ракеты, или полная, если на самолет ставится не ракета, а космический челнок типа "Шаттла".

5) Под такую систему проще отводить поля падения (что является достаточно дорогой операцией), так как можно стартовать с взлетной полосы расположенной рядом с морем, и сбрасывать отделяющиеся части (обтекатель,первую ступень ракеты) в море

6) Легко решается вопрос с безопасностью трассы выведения, так как самолет, в отличие от ракеты, может облететь населенный или промышленный район.

Реальные недостаки

Однако, проведя более глубокий анализ такой системы, можно убедиться, что грузоподъемность ее достаточно мала. Это, а также ряд других недостатков, приводит к тому, что экономически такая система становится невыгодной.

1) Малая скорость и высота отделения ракетной ступени. У ракет отделение первой ступени происходит на высотах более 40 км и на скорости 2-3 км/с, а самолет поднимает на высоту порядка 10-12 км и сообщает скорость около 200 м/с. Получается, что по сути дела самолет заменяет собой не первую ступень (как обычно пишут в рекламных буклетах на подобные системы), а где-то 1/4 (а то и 1/5) от первой ступени.

2) Проблемы безопасности экипажа самолета - носителя при отделении ракеты и запуске РД.

3) Отсутствие технологии выхода из нештатной ситуации при несостоявшемся пуске.

4) Ограничения по выводимой массе полезной нагрузки. Получается, что такая система будет конкурировать с РН легкого класса, которых из-за конверсии сейчас гораздо больше, чем заказов.

5) Отсутствие потребности вывода аппаратов малой массы на экваториальные орбиты, что сводит на нет одно из основных достоинств системы - всеширотность запуска. Ведь все подобные аппараты имеют наклонение от 60 градусов и больше, так как в противном случае зона обслуживания была бы очень маленькой.

Еще нужно заметить вот что. Когда среди достоинств системы называется отсутствие стартового комплекса, это не совсем так. Для такой системы отсутствует необходимость в стартовой площадке, но остальные части стартового комплекса, такие как цех предстартовой подготовки, где производится установка КА на ракету и последняя проверка и прозвонка всех систем как КА так и РН, комплекс заправки РН и другие.

Что существует

В эксплуатации на сегодняшний день находится только американская ракета "Пегас". "Пегас" представляет собой трехступенчатую твердотопливную ракету, стартующую с самолета-носителя. Старт ракеты происходит на высоте около 11 км при скорости М 0.8. Масса полезной нагрузки на орбите с высотой 300 км и наклонением 28 град, составляет 370 кг. Тут нужно обратить внимание на то, что ракета твердотопливная. Что решает серьезную (для жидкотопливных ракет) проблемму поперечных нагрузок. Ведь чтобы модифицировать стандартную жидкотопливную ракету ракету к оризонтальному старту (да и взлет и полет на самолете по нагрузкам явно превышает процедуру вывоза ракеты на стартовую позицию) потребуется серьезно укрепить конструкцию (что приведет к серьезному возрастанию массы конструкции), а возможно и переделать системы забора и подачи топлива.

Что у нас

Отечественный аналог "Пегаса" - система "Бурлак", использующая в качестве носителя бомбардировщик Ту-160 не вышла из стадии эскизного проектирования. Поэтому рассмотрим Авиационно-ракетный комплекс космического назначения "Воздушный старт", который тоже пока не существует, но вовсю рекламируется. Рассмотрим и оценим те материалы, которые присутствуют в интернете и рекламных буклетах.

заявленные характеристики системы:

самолет-носитель АН-124-100ВС
взлетная масса масса ракетных систем на борту диапазон высот диапазон скоростей	392 т; 120 т 9-11 км; 750 -8000 км/ч
двухступенчатая РН "Полет"
компоненты топлива стартовая масса габариты РН габариты зоны ПН максимальная перегрузка Максимальный скоростной напор блок 1 ступени: масса из них топлива двигатель тяга удельный импульс блок 2 ступени: масса из них топлива двигатель тяга удельный импульс	керосин-кислород; до 100 т; 3.2 х 32.7 м; 2.9 х 7.0 м; 4.5; 1200 кгс/м² ; 84 т; 76.5 т; НК-43М; 196 тс; 346 с; 12 т; 10 т; 11Д58МФД; 8 тс; 370 с;

Десантирование РН из самолета осуществляется при угле атаки 26° на высоте 10 км при скорости 200 м/c. РН в транспортно-пусковом контейнере выскальзывает из самолета. За 7-10 секунд РН тормозится при помощи парашюта до 180 м/c и отстает от самолета на расстояние 350-400 м (которое выбиралось исходя из безпасности самолета при взрыве ракеты) после чего происходит запуск маршевого двигателя.

На этой картинке, взятой с официального сайта компании "Воздушный старт", приведены энергетические возможности системы и параметры существующих низкоорбитальных КА. Заметим, что все эти КА летают на орбитых с большим наклонением, поэтому график для наклонения 0° можно сразу отбросить.

Гораздо интереснее будет оценить грузоподъемность этой системы на опрной орбите высотой 200 км и наклонением 63°. Разработчики заявляют, что РН "Полет" при наземном старте выводит на опорную орбиту 2.4 т полезного груза (+ 2тонны вторая ступень), а при воздушном 3.3 т. Получается, что переход с наземного старта на воздушный дает выйгрышь в тонну на опорной орбитеи. Так это или нет, можно проверить только имея на руках расчетные траектории выведения, чтобы посмотреть насколько точно учитывалсь все факторы.

Сравним теперь РН "Полет" с существующими ракетами. Если заявленные характеристики верны, то при воздушном старте РН "Полет" станет конкурировать с РН"Днепр", которая выводит на опорную орбиту примерно столько же. Причем имеет стартовую массу 211 тон, то есть в два раза больше. Интересно проверить, какую массу имеет РН "Днепр" на высоте 10 км (откуда стартует РН "Полет").

Сравним теперь РН "Полет" с РН "Рокот", который имеет такую же стартовую массу - порядка 107 тонн (без полезной нагрузки).На данный момент "Рокот" выводит на опорную орбиту 1950 кг полезного груза (+ 1700 кг РБ "Бриз-КМ"). Для выведения "Бриз-КМ" - это первая модификация, разработанная под выведение КА "Иридиум", и как следствие - довольно тяжелая. Для выведения КА "Диалог" в ГКНПЦ им Хруничева была разработа следующая модификация "Бриз-КС" сконечной массой 1000 кг. Если "Бриз-КС" будет доведен до "железа", то грузоподъемность "Рокота" возрастет до 2600 -2700 кг. Это позволит РН "Рокот" конкурировать с РН "Полет" даже в варианте воздушного старта, особенно если предположить, что реальная грузоподъемность при старте с самолета окажется ниже заявленных 3.3 т. Куда же уйдет весь выигрыш от 10 км и 180 м/c имеемых на начало ? Скорее всего в массу конструкции. Более объемную (за счет менее плотных компонентов топлива), а значит и так уже более тежелую по конструкции РН "Полет" придется дополнительно укреплять из расчета на поперечные нагрузки. Наверняка возрастет масса системы и органов управления - ведь нужно застабилизировать и развернуть ракету после сброса с самолета.

Из всего вышеперечисленного следует, что практически все плюсы воздушного старта уравновешиваются недостатками, а ниша возможных полезных нагрузок (низкоорбитальные КА) уже занята более отработанными существующими РН. Орбиты с небольшим наклонением, недоступные для конкурентов привязанных к космодромам, невостребованны для низкоорбитальных КА. А некоторая многоразовость за счет использования самолета, во-первых невелика (где-то 1/5 от традиционной 1 ступени), а во-вторых может существенно повлиять только при больших колличествах пусков в год, чего при нынешней жесткой конкуренции вряд ли следует ожидать.